基于统一家电协议的智能家居控制终端设计报告.doc

“博创.恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛2012第八届“博创恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛作品设计报告基于统一家电协议的智能家居控制终端Intelligent Household Control Terminals Based on Unified Home Appliance Agreement设计报告 目 录摘 要3关键词3Abstract3Key words3第 1章 序论41.1研究背景41.2研究现状与发展趋势4第2章系统方案42.1系统需求42.2 总体结构设计42.3 硬件设计52.4 软件设计 5第3章 功能与指标73.1 主要功能73.2 主要指标7第4 章 实现原理74.1 Zigbee原理介绍7第5章硬件框图9第6章软件流程96.1终端软件设计96.2 节点应用程序9第7章系统测试方案107.1系统硬件调试117.2系统软件测试11第 8章测试设备11第 9章测试数据12第10章 结果分析12第11章实现功能12第12章特色12结论12附录14参考文献17 “博创.恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛摘 要 随着科学技术的发展，智能化逐渐走进了我们的生活，智能家居颠覆了传统的家居生活理念，并带来了全新的生活方式。智能家居作为家庭信息化的实现方式，已经成为社会信息化发展的重要组成部分，物联网因其巨大的应用前景，将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居的产业发展具有重大意义。该系统以博创CUP6410嵌入式实验平台与Zigbee为核心，可以实时监控家居内各模块的运行状态，自动控制且方便操作。该系统从安全和智能化两个方面诠释智能家居的概念，倡导智能管理、健康生活、节能环保的现代居家生活理念，引领物联网智能生活新潮流。该系统包含照明控制、音响控制、风扇控制、水源控制等模块，真实模拟了一个小型家居系统。关键词： 智能家居、嵌入式实验平台AbstractWith the development of science and technology，the intelligent control steps into our life，the intelligent household subverts the traditional household life concept and bring us a whole new way of life. The intelligent household has become one important part of social information development as a way of family information realization and content networking will be a more realistic breakthrough in the development of intelligent household industry, having a the great significance in the development of intelligent household industry. The system uses CUP6410 embedded experimental platform and Zigbee as the core and can monitor the operation of each module within the household timely, control automatically and operate conveniently.The system interprets the concept of intelligent household from the view of safety and intelligence and advocate the modern life concept of intelligent management, healthy life, energy conservation and environmental protection, leading the new trend of intelligent life things networking. The system contains lighting control module, Audio control module, fan control module, water source control module and so on，simulates a small home systems truly。 Key words: Intelligent household、Embedded experimental platform第1章 绪 论1.1 研究背景 随着科学技术的日益更新与发展，高科技与信息技术走进了家庭，追求安全、舒适、智能的生活环境空间已经成为人们的需求之一，智能小区的市场火爆，最基本的单元就是智能家居。近些年来，数字技术快速发展，使得计算机和通信相渗透相结合的更加密切；半导体技术的发展特别是高速CPU和存储器的出现，使得信息的收集与处理更加方便；电脑等一些家用设备的诞生使得智能家居控制终端成为可能，同时嵌入式的研究与发展给与信息设备的发展相结合，形成了低成本的运营模式。1.2 研究现状与发展趋势国内的家居智能化的研究还不是很深入，主要方面还处于初级阶段。欧美的家居智能已相对成熟且已在信息家电中得到实际应用。家庭总线技术的一些标准如美国的X-10、CEBus，欧洲的Europe Home System标准已经投入市场，但这些标准大都是与本国的情况制定的。国内至今还没有比较成熟的家庭总线标准，这相对阻碍了智能家居终端的开发与研究。近年来，欧美的一批知名企业先后进入了家居智能化的研究及开发领域，但现有系统在操作方式及使用方面与客户要求还有一定差距，家居内部的各个部分的通信协议不同难以构成完整的家居系统，各种原因延缓了家居市场的发展。国内的一些厂商也在进行家居智能化产品的研究与生产，一些大型IT企业用自身的资金与技术优势已经在低端市场占据相当重要的地位；一些传统的家电巨头也开始进入家居智能化产业市场。这些发展值得我们为之一悦，但是国内的智能家居的研究起步比较晚，整体水平参差不齐，软件功能比较差，升级能力欠缺，难以保证传输的实时性和大数据量的可靠通信。随着智能化平台的发展，利用实时操作系统的智能家居控制终端将成为未来研究的热点。第2章 系统方案2.1 系统需求本家居系统包括主控制中心、家电控制终端、监控报警终端三个主要部分。系统应实现的主要功能： 监控：用户通过计算机，可以登录到家庭的控制中心，查看家庭内部情况，对照明模块、窗户及窗帘、温湿度控制、防火防盗进行控制与处理。电器控制：用户可以通过计算机进行控制，对家电进行智能化管理。通信方式：系统采用Zigbee无线通信方式，避免了有线布线带来的麻烦。2.2 总体结构设计 智能家居系统的核心部分是一个嵌入式的计算机系统，系统主要是Zigbee无线通信模式，用户可以通过手机或PC机登录家中的嵌入式服务器，通过用户名和密码验证之后，便可以查看或控制家用电器、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施；系统具有可扩展接口，如无线蓝牙接口、GPRS接口、以太网接口，SPI接口。系统总体设计如图1所示：图1系统总体设计2.3 硬件设计 本系统采用Zigbee技术进行无线通信，大大减少了布线麻烦、成本高的缺点。计算机作为无线通信控制终端，相当于一个大型数据处理中心。家居子模块包括音响、电灯、风扇、饮水机等模块，子模块分别与Zigbee连接，形成了通信辐射网络。 在家居控制中心，选用CC2420作为家庭内部ZigBee通信协调器；家居、安防终端采用CC2430与之相连。该芯片兼容IEEE802.15.4标准，其在单芯片上集成了ZigBee RF前端、存储器和微控制器（MCU）。利用cc2430我们可以方便的进行数据采集，及设备控制等操作。考虑到家庭内部节点有限，网络规模基本固定，内部无线网络采用星型拓扑，以CC2420为中心协调器，与各家居分支节点进行通信。CC2420通过4线制SPI接口与处理器相连，进行数据的传输。通过SPI总线可以设置其到不同的工作模式，读写缓冲区，读入状态寄存器。其中，SI和SO分别负责数据的输入和输出，CSn负责SPI接口使能，SCLK负责时钟信号。另外，还需使用FiFO和FIFOP状态引脚来访问FIFO。通过CCA引脚查看通道是否清空，通过SFD引脚提供时间信息。2.4 软件设计 本系统是用计算机终端控制每一个家居子模块，如电灯、风扇、饮水机、音响等，智能家电控制终端界面如图2所示，照明系统子模块界面如图3所示，音响控制界面如图4所示。图2家电控制终端界面图3照明系统子模块界面图4音响控制界面第3章 功能与指标3.1 主要功能该系统采用Zigbee无线通信技术，以计算机为终端进行数据的处理与家电的控制，用户通过计算机，可以登录到家庭的控制中心，查看家庭内部家电控制情况。家居子模块如电灯、风扇、音响、饮水机等可以分别于Zigbee相连接，作为每一个小分支与终端机进行通信，终端机的Zigbee模块与每一个小分支进行反馈通信，进而实现整个家居网络的控制。电灯模块主要是实现电灯的亮灭，通过终端机的Zigbee与电灯的Zigbee进行通信，从而可以实现对电灯的亮灭控制。电灯的模式主要为一下几种（1）当家中来客人，您只需轻触遥控器上的会客按钮，您的客厅的灯光自动亮起，无须象以往那样逐个开启。（2）起夜模式：夜间入睡，您只需轻触遥控器上的起夜按钮，您的家中事先设定好夜间辅灯将自动亮起，同时将其他灯光关闭，使灯光更富人情味。无须象以往那样逐个进行启闭，方便及至。（3）全开全关: 轻松实现灯和电器的一键全关和所有灯的一键紧急全开功能。 风扇模块主要是实现对其速度的控制与开关，通过终端机的Zigbee与风扇的Zigbee进行通信，其速度数据随时通过Zigbee传送给终端机，开关状态也随时传送给终端机，从而可以实现对风扇的开关控制及其速度的控制。饮水机模块主要是实现对水温的设定与反馈，通过终端机的Zigbee与饮水机的Zigbee进行通信，其温度随时通过Zigbee传送给终端，终端从而进行处理并反馈给饮水机模块，进而可以实现对水温的设定与反馈。音响模块主要是实现对歌曲的调节，包括音量、播放与暂停、上一曲、下一曲、播放模式等的调节，通过终端机的Zigbee与音响的Zigbee进行通信，其播放状态的数据可随时通过Zigbee传送给终端，终端从而进行处理并反馈给音响模块，进而可以实现终端对音响的控制。3.2 主要指标 电灯子模块的主要指标为电灯的亮灭状态；风扇子模块的主要指标为风扇的开关状态及速度数据；饮水机子模块的主要指标为水温数据；音响子模块的主要指标为歌曲的播放状态。第4章 实现原理4.1 Zigbee原理介绍 本系统使用Zigbee模块进行无线通信，Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee模块是已经包含了所有外围电路和完整协议栈的能够立即投入使用的产品，已经经过了厂家的优化设计，和老化测试，有一定的质量保证。优秀可靠的zigBee应用“模块”具有在硬件上设计紧凑，体积小，贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到1200米不等，还包含了ADC，DAC，比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。软件上包含了完整的ZigBee协议栈，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。Zigbee自身的技术优势：1功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。2低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。3 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。4近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。5短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。6高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。7高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。8免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲)。Zigbee性能分析：1数据速率比较低：在2.4GHZ的频段只有250KB/S，而且只是链路上的速率,除掉帧头开销,信道竞争应答和重传，真正能被应用所利用的速率可能不足100KB/S,并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分.因此不适合做视频之类事情。2.可靠性：在可靠性方面，zigbee有很多方面进行保证.物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰MAC曾，应用层(APS部分)有应答重传功能。 MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当zigbee网络受到外界干扰,无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。3.时延：由于zigbee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。4.能耗特性：能耗特性是zigbee的一个技术优势，通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信是,节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下,休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。5.网络层特性：zigbee大规模的组网能力强，因为zigbee底层采用了直扩技术,如果采用非信标模式,网络可以扩展得很大，为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1秒以内，甚至更快。bluetooth通常需要3秒，在路由方面,zigbee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支持多播和广播特性,能够给丰富的应用带来有力的支持。第5章 硬件框图 本系统以ZIGBEE与计算机为核心，模拟了一个小型家居系统，硬件框图下图5所示：图5硬件框图第6章 软件流程6.1 终端软件设计 终端中心控制四大模块，分别是：电灯控制、风扇控制、饮水机控制及音响控制。来自子模块ZigBee的信息主要为数据信息，该数据可以为终端节点周期性向控制中心发送的数据，也可以为GPRS或Web请求的数据。如果为周期性的数据则需要判断数据是否正常，如果有异常需要向用户进行反馈。终端软件流程图如下图6所示。图6终端软件流程图6.2 节点应用程序终端的CC2430主要完成三大功能：网络通信、数据采集、设备控制。应用程序加电后应该做的第一件事就是寻找可接入网络，然后循环等待中断。应用程序应处理的中断源主要有两个，一个是来自控制中心的管理信息（因为ZigBee网络是星型拓扑，因此只接收来自控制中心的信息），主要是进行数据查询或者设备控制，应用程序调用相应的中断程序；另一个是来自底层硬件。节点应用程序如图7所示。图7节点应用程序第7章 系统测试方案本系统的制作调试主要分为硬件调试、软件调试两大部分。经过初步的分析设计后，在设计制作硬件电路的同时，调试穿插进行，应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的，许多硬件故障是在调试软件时才发现的。但通常是先排除系统中明显的硬件故障后才和软件结合起来调试，如此有利于问题的分析和解决，不会造成问题的积累，从而可以节约大量的调试时间。软件编程中，首先要完成单元功能模块的调试，然后进行系统调试，整体上采用硬件调试的调试方法。7.1 系统硬件测试PCB即印刷电路板，是电子电路的承载体。在现代电子产品中，PCB板的设计是电路设计的最后一个环节，也是对原理电路的再设计。因此PCB板的设计是理论设计到实际应用一个十分重要的内容。印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之间的电气连接。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大因此，在进行PCB设计时必须遵守印制电路板设计原则和抗干扰措施的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。本系统的硬件调试主要包括以下调试： (1)逻辑错误调试：样机硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括：错线、开路、短路等几种，其中短路是最常见的故障。(2)器件调试：元器件失效的原因有两个方面：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。(3)可靠性调试：引起系统不可靠的因素很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰、电源纹波系数过大、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差。在本次调试在调试样机加电之前，先用万用表和示波器,根据硬件电气原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。还特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线是否存在相互间的短路。7.2 系统软件测试软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。本系统采用模块程序设计技术，逐个模块调好以后，再进行系统程序总调试。由于采用了实时多任务操作系统，采用是逐个任务进行调试，下面进一步予以说明。在调试第一个任务时，同时也调试相关的子程序。等逐个任务调试好以后，再使各个任务同时运行，在本次调试中操作系统中没有错误，在单步和断点调试后，进行了连续调试，因为单步运行只能验证程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题。等全部完成后，反复运行多次，除了观察稳定性之外，还观察了用户系统的操作是否符合设计要求的操等，部分程序作了适当修正后系统能够正常运行。监控软件在平时不断检测各报警点的信号，当有异常情况时，系统通过Zigbee模块自动发出报警信息。第8章 测试设备Lenovo PC一台；物联网嵌入式教学科研平台；TDS210 60MHz双踪示存储波器一台；WYK302Bz型直流稳压电源一台；TC-108H“多路通”程控交换机一台；MODEL HCF1000C 型频率计一台；EE1641B1型函数发生器/计数器一台；MF 47型机械万用表一个；DT 9208型数字万用表一个；YEAR 200型体育竞赛秒表一个；TLW-T调温烙铁一把；IAR开发软件一套；Altium开发工具一套；Visual Basic 6.0 中文版工具一套；第9章 测试数据 本系统包括4个子模块与终端机，经测试得到了子模块数据发送情况与终端机接收情况，具体数据如下图8所示。测试次数从机1发送的数据个数从机2发送的数据个数从机3发送的数据个数从机4发送的数据个数终端机接收的数据 1 5 5 5 5 18 2 5 5 5 5 17 3 5 5 5 5 20 4 5 5 5 5 16 5 5 5 5 5 19图8测试图本系统采用的Zigbee模块传输功率-3dBm、0dBm、+4dBm可选，理论最大传输距离400m,但是经测试认为传输距离在200m以内效果佳，且在室内和室外的传输距离不同。第10章 结果分析 经系统测试，子模块与终端机的通信比较稳定，基本上可以实现正常通信。Zigbee模块通信情况良好，可以用于该系统的正常通信。终端机基本上可以实现对子模块的控制且在终端机界面上显示，总体上模拟了小型家居系统。第11章 实现功能该系统模拟了一个小型家居系统，实现了终端机对各个家居子模块的控制与处理。电灯模块实现电灯的亮灭和自动控制。当家中来客人，只需轻触遥控器上的会客按钮，灯光自动亮起，无须象以往那样逐个开启；夜间入睡，只需轻触遥控器上的起夜按钮，您的家中事先设定好夜间辅灯将自动亮起，同时将其他灯光关闭，使灯光更富人情味，无须象以往那样逐个进行启闭，方便及至。风扇模块实现了速度的控制与开关，其速度数据随时通过Zigbee传送给终端机，开关状态也随时传送给终端机。饮水机模块实现了对水温的设定与反馈，其温度随时通过Zigbee传送给终端，终端从而进行处理并反馈给饮水机模块。音响模块实现对歌曲的调节，包括音量、播放与暂停、上一曲、下一曲、播放模式等的调节，其播放状态的数据可随时通过Zigbee传送给终端，终端从而进行处理并反馈给音响模块，进而实现终端对音响的控制。第12章 特色1适应智能家居发展趋势，提出了基于Zigbee与嵌入式平台相结合的智能家居终端结构，突破了利用普通单片机构建智能家居控制终端的种种限制，如运行速度慢，接口资源少等限制，不仅符合当前系统功能的设计要求，保证了系统的可靠性和稳定性，而且还为系统进一步发展打下了基础。2在物联网平台和实时操作系统的基础上，使用比较完整的Z-Stack协议栈，并对其进行改变，突破的通信的瓶颈。3在智能家居控制终端系统采用串口与子模块相接触，不仅能满足智能家居终端的通信要求，保证系统的实时性，而且降低了使用成本。结 论本设计根据设计任务，提出了并且论证了设计方案，详细地阐述了Zigbee控制原理及无线信息发送的实现方法、以及相关电路的设计原理，设计中充分利用了系统的硬件和软件资源，实现了各个模块的协调控制，提高了系统的可靠性和通用性。原理样机经过设计方案论证，设计了相应的硬件电路和系统软件，制作了电路原理样机并与PC机联机调试，结果表明，所设计的电路和软件能完成基本的测试功能。本系统中的远程控制，关键在于利用标准程控交换信令结合软件编程，实现了远程桌面及安全认证机制，具有投资少、成本低、可靠性高等特点，还具有良好可扩展性和实用价值，符合了未来家居的智能化、网络化发展方向。本设计完成的工作基本完成了规定的设计任务，符合家居智能化系统是创造一个舒适的生活环境设计理念。在制作原理样机后，由于时间限制，还没有进行长时间可靠性和实际安装测试，这是系统产品化必须做的工作。附录：系统部分源程序void initUART(void) / Setup for UART0 IO_PER_LOC_UART0_AT_PORT0_PIN2345(); SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); UART_SETUP(0, 57600, HIGH_STOP); UTX0IF = 1;void main delay(unsigned int temp) unsigned int i,j; for(i = 0;i temp; i+ ) for(j = 0;j temp;j+); /*Filename: spp.cTarget: cc2430Revised: 16/12-2005Revision: 1.0*/#include #include cul.h#include / protosvoid rxCallBack(void);void ackTimeout(void);BOOL ackReceived(BYTE sourceAddress);void sendAck(SPP_RX_STRUCT* receivedPacket);void waitForAck(void);static DMA_DESC* dmaTx; / pointer to the DMA descriptor for transmit.static DMA_DESC* dmaRx; / pointer to the DMA descriptor for receive.static BYTE dmaNumberTx = 0; / number indicating which DMA channel is used for transmit.static BYTE dmaNumberRx = 0; / number indicating which DM